秦嶺引水隧洞TBM施工段巖爆預(yù)防與治理

趙志強(qiáng)

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

秦嶺引水隧洞TBM施工段巖爆預(yù)防與治理

趙志強(qiáng)*

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

巖爆是巖體中有較高的地應(yīng)力，同時(shí)巖石具有較高的脆性度和彈性，在隧道開挖開挖后，由于地應(yīng)力的瞬間釋放而產(chǎn)生爆裂、剝落、彈射甚至拋擲。巖爆是地下工程施工的一大地質(zhì)災(zāi)害，由于它的破壞性很大，往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞及人員傷害。結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工對(duì)巖爆處理措施的總結(jié)，希望能為類似工程施工提供參考。

TBM掘進(jìn)；巖爆；預(yù)防治理

1　工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞越嶺段全長(zhǎng)81.779km。其中嶺南TBM標(biāo)段18.275km，采用一臺(tái)?8.02m敞開式TBM施工。工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)。高程范圍1050～2420m，洞室最大埋深約2000m。本工程掘進(jìn)穿越石英巖、花崗巖及閃長(zhǎng)巖約占圍巖總量75%以上。高強(qiáng)度巖石含量較高，其中石英含量最高達(dá)97%、花崗巖最高達(dá)30%、閃長(zhǎng)巖最高達(dá)18%。巖石強(qiáng)度86MPa至最高達(dá)242MPa。

最大水平主應(yīng)力值為16.11～23.7MPa，最小水平主應(yīng)力值為10.11～15.41MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹30°～46°W，優(yōu)勢(shì)作用方向?yàn)楸蔽飨颉Ｉ钽@孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，三向主應(yīng)力的關(guān)系為：SH＞Sh＞Sv，具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力作用，地應(yīng)力值較大。在大埋深條件下，由于隧洞的開挖，洞室附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，具備發(fā)生巖爆的應(yīng)力條件。

2　巖爆特征

本工程TBM在掘進(jìn)至K28+490～+760段，出現(xiàn)影響較大的巖爆，此段巖性為石英巖，無水，埋深在500～610m，巖爆主要發(fā)生在拱部，巖爆等級(jí)為輕微—中等。出護(hù)盾巖爆就會(huì)發(fā)生，多為轟雷聲和爆竹聲，聲音較脆，一般在24h內(nèi)應(yīng)力釋放完，最長(zhǎng)3～4d仍有爆裂。根據(jù)巖爆情況，本工程巖爆歸類如下：

2.1表面崩落型巖爆

表面崩落型巖爆主要發(fā)生在圍巖強(qiáng)度高、完整性較好、節(jié)理較發(fā)育—不發(fā)育、干燥無水段。其發(fā)生時(shí)間具有不確定性，個(gè)別時(shí)候在露出護(hù)盾之前就已經(jīng)發(fā)生，來不及支護(hù)，也可能是出露護(hù)盾時(shí)較為完整，滯后一段時(shí)間后才開始顯現(xiàn)，影響施工安全，其影響深度一般在20cm左右，且伴有爆裂聲響。

2.2應(yīng)變型巖爆

應(yīng)變型巖爆多發(fā)生在巖體節(jié)理較發(fā)育、巖體較完整—完整段，節(jié)理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無充填，巖面呈干燥無水。這種圍巖在掘進(jìn)開挖中高地應(yīng)力作用較明顯，表現(xiàn)為無任何征兆發(fā)生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節(jié)理薄弱點(diǎn)開始巖爆，巖塊應(yīng)聲掉落，隨后伴隨聲響以片狀、塊狀剝落為主，一次性巖爆掉塊體積較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，最后形成較大塌腔；另外則表現(xiàn)在隧洞底部由于應(yīng)力擠壓造成底部隆起等現(xiàn)象。

3　巖爆對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的影響

巖爆發(fā)生為瞬間發(fā)生，情況比較復(fù)雜；巖爆不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度造成影響，并直接威脅到設(shè)備和人員安全。在部分巖爆發(fā)生地段，初期支護(hù)已經(jīng)完成，巖爆發(fā)生時(shí)對(duì)已完成的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，需要對(duì)其進(jìn)行重新支護(hù)。

TBM的優(yōu)勢(shì)就是快速掘進(jìn)施工，然而頻繁巖爆需加強(qiáng)支護(hù)，增加現(xiàn)場(chǎng)工作量。因此巖爆對(duì)施工進(jìn)度影響巨大。目前TBM掘進(jìn)發(fā)生的巖爆占施工長(zhǎng)度的30%，不僅進(jìn)度慢，而且工程成本陡增。根據(jù)地質(zhì)資料推算，剩余掘進(jìn)段巖爆發(fā)生的可能性任然較大，因此，如何有效地處理和預(yù)防巖爆成為施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

4　施工段巖爆的處理

在TBM掘進(jìn)施工過程中對(duì)出現(xiàn)巖爆的地段采取的措施主要有以下幾個(gè)方面。

4.1表層剝落型巖爆

在圍巖強(qiáng)度高、完整性好、節(jié)理不發(fā)育的無水地段，容易出現(xiàn)表層剝落巖爆，采取的措施有：

（1）對(duì)出露護(hù)盾段圍巖采用人工噴水初步軟化圍巖；

（2）圍巖一旦出露護(hù)盾，拱部90°范圍快速施作錨桿，錨桿間距1m左右，梅花形布設(shè)，并盡量加密，同時(shí)，拱部120°范圍內(nèi)施作部分應(yīng)力釋放短孔；

（3）拱部120°范圍內(nèi)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片；

（4）必要時(shí)，安設(shè)格柵拱架；

（5）必要時(shí)，利用L1區(qū)應(yīng)急初噴系統(tǒng)初噴封閉巖體。

4.2應(yīng)變型巖爆

據(jù)TBM掘進(jìn)觀察，應(yīng)變型巖爆一般發(fā)生在圍巖強(qiáng)度高，完整性好，但有節(jié)理面地段，在這種情況下，節(jié)理面成為了斷面的薄弱點(diǎn)，應(yīng)力首先從節(jié)理位置開始釋放，規(guī)模相對(duì)較大，速度也較快，很多時(shí)候，在刀盤或是護(hù)盾封閉區(qū)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巖爆聲響，出露護(hù)盾后圍巖已經(jīng)成為松散體或形成塌腔，也可能是出露護(hù)盾后巖體依然完整，但會(huì)迅速?gòu)墓?jié)理面開始巖爆，一旦出現(xiàn)，就是持續(xù)巖爆，連續(xù)掉塊，直至應(yīng)力釋放完成并趨于穩(wěn)定。對(duì)此，施工中主要采取的措施是利用TBM設(shè)備自帶的Mcnally支護(hù)系統(tǒng)與鋼拱架及時(shí)支護(hù)（將特制的鋼筋排架放入提前加工好的TBM護(hù)盾儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，在巖爆發(fā)生地段將鋼筋排架提前抽出30～50cm，使用格柵拱架或者鋼拱架將其頂至巖面，再用錨桿錨固，形成快速支護(hù)系統(tǒng)。主要材料及參數(shù)：特制鋼筋排架?12mm鋼筋3根，每根長(zhǎng)4.5m，?10mm盤條間距25～30cm，與鋼筋垂直方向焊接），并及時(shí)實(shí)施錨噴封閉圍巖，巖爆段出噴射區(qū)后，及時(shí)對(duì)巖爆松散體進(jìn)行固結(jié)回填注漿，減少由于應(yīng)力過度釋放造成的圍巖松軟，確保施工安全。

5　巖爆預(yù)測(cè)和預(yù)防

5.1后期施工段巖爆設(shè)計(jì)情況

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的設(shè)計(jì)圖紙以及秦嶺地區(qū)深鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)等資料，分析認(rèn)為秦嶺隧洞區(qū)地應(yīng)力較高，當(dāng)在堅(jiān)硬完整、干燥的Ⅰ、Ⅱ類圍巖地段的花崗巖、閃長(zhǎng)巖地層中進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，由于應(yīng)力集中，在掌子面或離掌子面1倍左右洞徑的地段會(huì)發(fā)生巖爆，甚至發(fā)生較強(qiáng)烈?guī)r爆的可能。預(yù)測(cè)隧洞通過嶺脊花崗巖、閃長(zhǎng)巖地段約20km范圍內(nèi)時(shí)巖爆在所難免，巖爆等級(jí)以中等—輕微為主，局部可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。其中預(yù)計(jì)強(qiáng)烈?guī)r爆段約3880m、中等巖爆段13030m、輕微巖爆段545m。

5.2巖爆的預(yù)測(cè)與預(yù)防

根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)后期巖爆將對(duì)TBM施工影響很大，通過收集國(guó)內(nèi)外防治巖爆的經(jīng)驗(yàn)，希望通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)摸索出一條針對(duì)高地應(yīng)力TBM施工處理巖爆的方法。

5.2.1巖爆預(yù)測(cè)方法

在施工期間進(jìn)行必要的圍巖檢測(cè)，如微震檢測(cè)、變形檢測(cè)、應(yīng)力檢測(cè)等，收集圍巖巖爆前后的各種物理力學(xué)參數(shù)，并加以總結(jié)分析。但常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段如：TSP203+、HSP-T、高分辨電法、紅外探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、RTP206巖體溫度法、超前地質(zhì)鉆孔等，由于受TBM設(shè)備的限制，不能很好的反應(yīng)出掌子面前方圍巖情況（特別是圍巖應(yīng)力變化）。結(jié)合其他類似工程實(shí)例，采用微震監(jiān)測(cè)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方式可以對(duì)前方圍巖的應(yīng)力情況進(jìn)行探測(cè)，并通過預(yù)報(bào)成果可以分析出掌子面前方發(fā)生巖爆的概率、位置及規(guī)模，以便提前采取應(yīng)對(duì)措施，確保TBM安全、快速掘進(jìn)。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Micro-seismic Monitoring System，MMS），主要是利用聲學(xué)、地震學(xué)和地球物理學(xué)原理和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能來實(shí)現(xiàn)微震事件的精確定位和級(jí)別大小的確定。該系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)彈塑性材料在外界應(yīng)力作用下，其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中，當(dāng)能量積聚到某一臨界值之后，會(huì)引起微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，并伴隨有彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體快速釋放和傳播，即產(chǎn)生聲發(fā)射。傳感器接收原始的微震信號(hào)以后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將其發(fā)送到微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集單元，軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和加工處理，軟件可以對(duì)微震事件數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行多方面處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)微震事件的定位、破壞趨勢(shì)的跟蹤等處理，并可以對(duì)微震事件在繪圖儀上或三維空間和時(shí)間軸下進(jìn)行實(shí)體演示，其原始數(shù)據(jù)和處理文件可實(shí)時(shí)顯示。

5.2.2巖爆預(yù)防與治理

為確保TBM掘進(jìn)施工安全，巖爆地段掘進(jìn)施工堅(jiān)持先防后治的原則，采取積極主動(dòng)的預(yù)防措施和強(qiáng)有力的施工支護(hù)，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。TBM施工的隧道在施工過程巖爆防治措施主要有以下幾方面：

（1）采用超前鉆孔高壓均勻注水，可以釋放應(yīng)變能，并將最大切向應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移；高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體強(qiáng)度；高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低巖體儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力。

（2）改善圍巖物理力學(xué)性能。在掌子面和洞壁經(jīng)常噴撒冷水，可在一定程度上降低表層圍巖強(qiáng)度。

（3）出護(hù)盾后及時(shí)用鉆徑向應(yīng)力釋放孔，孔深0.5～3m不等。

（4）出護(hù)盾后及時(shí)錨網(wǎng)噴支護(hù)，巖爆坍塌區(qū)域必要時(shí)立鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)。

（5）出護(hù)盾前已發(fā)生巖爆地段采用Mcnally系統(tǒng)與鋼拱架和錨噴及時(shí)支護(hù)。

5.2.3不同類型巖爆的治理措施

（1）輕微巖爆治理措施。針對(duì)輕微巖爆的治理措施，主要采取噴水+應(yīng)力釋放孔+錨+網(wǎng)+噴砼加強(qiáng)支護(hù)，這也是防治巖爆較為成熟和有效的辦法。在掘進(jìn)過程中按照設(shè)計(jì)做好系統(tǒng)支護(hù)外，主要針對(duì)拱部120°范圍進(jìn)行掛網(wǎng)、加密錨桿施工，同時(shí)做好應(yīng)力釋放短孔，并對(duì)出露圍巖進(jìn)行噴水，以適當(dāng)改變巖石力學(xué)性質(zhì)，降低巖石的脆性，將需釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，如巖爆形成圍巖崩坍體積較大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)及時(shí)采取L1區(qū)應(yīng)急噴漿系統(tǒng)進(jìn)行噴砼支護(hù)，必要時(shí)利用Mcnally支護(hù)系統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)。此外，可以采用柔性防護(hù)網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋網(wǎng)，同時(shí)利用漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿能有效、快速地控制巖爆引起的坍塌規(guī)模，達(dá)到快速支護(hù)，確保施工安全的目的。

（2）中等巖爆治理措施。對(duì)于中等巖爆，主要在支護(hù)手段方面進(jìn)行優(yōu)化，采用噴水+Mcnally支護(hù)系統(tǒng)+錨桿+鋼拱架+噴纖維混凝土支護(hù)方式。錨桿要快速實(shí)施，能夠迅速錨固圍巖，可將普通墊片式錨桿改為大墊板漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，提前施加預(yù)應(yīng)力。噴砼方面將普通混凝土改為鋼釬維、塑料纖維混凝土，凝固速度快、強(qiáng)度高能快速封閉和加固圍巖。中等規(guī)模巖爆地段一般需要安設(shè)鋼拱架，鋼拱架建議采用H150型鋼，結(jié)合Mcnally支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)，Mcnally支護(hù)系統(tǒng)的鋼筋排可根據(jù)實(shí)際情況增大鋼筋直徑為?14mm～?22mm不等。

（3）強(qiáng)烈?guī)r爆治理措施。如監(jiān)測(cè)存在高地應(yīng)力情況，可能出現(xiàn)強(qiáng)烈?guī)r爆，常規(guī)支護(hù)措施將無法應(yīng)對(duì)，必須超前進(jìn)行應(yīng)力釋放，利用TBM配套的超前鉆機(jī)在拱部120°范圍內(nèi)施做超前鉆孔，孔深10～30m不等，而后往孔內(nèi)注射高壓水釋放部分地應(yīng)力，或者是直接實(shí)施預(yù)爆破，有效釋放地應(yīng)力，待巖體出露護(hù)盾后，結(jié)合中等巖爆治理措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)外，必要時(shí)可采取安設(shè)鋼管片進(jìn)行初期支護(hù)加強(qiáng)。另外，TBM設(shè)備需增設(shè)臨時(shí)防護(hù)設(shè)施，給主要設(shè)備安裝防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)棚架進(jìn)行防護(hù)。

6　結(jié)束語

巖爆的發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，也是世界性的地下工程難題之一。TBM施工在巖爆預(yù)測(cè)和控制方面其靈活性遠(yuǎn)不如鉆爆法，但巖爆的危害尤其是巖爆產(chǎn)生的坍塌對(duì)TBM設(shè)備、人員安全和施工進(jìn)度影響極大。因此，TBM施工巖爆防治的重要原則是提前預(yù)測(cè)、采用主動(dòng)防范措施、加強(qiáng)巖爆段支護(hù)，避免由巖爆引起大坍方對(duì)設(shè)備和人員造成直接傷害，防止TBM卡機(jī)事故，最大限度降低巖爆強(qiáng)度及其造成的破壞，減少巖爆對(duì)施工進(jìn)度的影響。

［1］汪華東，沈洪波.淺談錦屏二級(jí)水電站TBM施工巖爆防治［J］.華東科技學(xué)術(shù)版，2014（2）：426-426.

［2］羅志虎，楊鵬飛.錦屏二級(jí)水電站TBM施工中的巖爆問題分析與對(duì)策［J］.巖土工程技術(shù)，2009，23（1）：52-54.

［3］孫熔正，房國(guó)棟.隧道施工巖爆預(yù)測(cè)防治［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（10）：948.

［4］李曉晗，趙琳，徐愛萍.Mcnally系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014，22（6）：70-71.

Prevention and Control of Rock Burst in TBM Construction Section of Qinling Mountains Diversion Tunnel

ZHAO Zhi-qiang
（China Railway Tunnel Stock Co.,LTD.，Zhengzhou Henan 450001，China）

Rock burst is a burst，exfoliation ejection even throwing of rocks occurred in tunnel for the instant release of crustal stress due to the high ground stress，high brittleness and elasticity in rock mass.Rock burst is a major geological disaster in the underground engineering construction，which often cause serious damage to the excavation work，equipment damage and personnel damage for its huge destructive.The paper conclude the treatment measures to rock burst occurred at TBM construction section of Qinling Mountains diversion of water from the Han River to Wei，hope to provide reference for similar engineering construction.

TBM tunneling；rock burst；prevention and control

TV554.2

A

1004-5716（2016）10-0170-03

2015-11-27

趙志強(qiáng)（1969-），男（漢族），河南商水人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下與隧道工程建設(shè)技術(shù)工作。